CN109387707B - 分析目标表面上的电流的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

分析目标表面上的电流的方法和设备。例如按照阵列(30)布置的多个磁场传感器(26)可操作以测量靠近测试结构(10)的表面(18,24)的磁场强度的变化。测试结构(10)可与飞机机身、机翼等的几何形状近似。电流被施加到测试结构(10)，并且磁场传感器(26)感测由该电流导致的磁场的变化。对应多个积分器(32)将传感器(26)输出转换为磁场强度值。从所述多个磁场强度值和对应传感器位置(27)，推断目标表面(10)上的电流密度。

Description

分析目标表面上的电流的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及电流感测，具体地讲，涉及一种推断大表面上的电流密度的方法和设备。
背景技术
已知会发生飞机上的雷击。传统上，飞机的机身和机翼由诸如铝的轻质金属制成。来自闪电的电流通常沿着这些飞机的外蒙皮行进，导致很小的损坏。传统飞机金属外部表现出各向同性的导电性，并且可按照明确定义且很好理解的方式承载甚至大电流。对闪电生存性的测试相对简单。在雷击中飞机的外表面上的电流密度通常高度均匀。因此，在一个点处测量的局部电流可被合理地认为代表整个飞机上发生的情况。
许多现代飞机由复合材料构建，而非金属。与金属相比，复合材料可更轻且更灵活，具有更高的弹性以及将电子器件(例如，天线)嵌入复合材料中的能力。复合材料机身常常分层制造。特别是，其可包括由介电层(例如，由各种树脂构成的介电层)分隔开的导电层(例如，由碳纤维构成的导电层)。导电层通常表现出非各向同性的导电性(例如，沿着构成纤维的方向)。因此，在雷击中复合材料机身上的电流密度通常是不均匀的，并且可能非常复杂。这使雷击研究和测试大大复杂化，因为可能难以预测或测量大表面积上的电流密度。
本文献的背景技术部分被提供以将本发明的各方面置于技术和操作上下文中，以帮助本领域技术人员理解其范围和效用。除非明确地如此识别，否则本文中的陈述不能仅仅通过包括在背景技术部分中而被承认为现有技术。
发明内容
以下呈现本公开的简要总结以便为本领域技术人员提供基本理解。本发明内容不是本公开的广泛概述，并非旨在识别本发明的各方面的关键/重要要素或划定本发明的范围。本发明内容的唯一目的是以简化形式呈现本文所公开的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
根据本文中描述并要求保护的一个或更多个方面，诸如按照阵列布置的多个磁场传感器操作以测量靠近测试结构的表面的磁场强度的变化。测试结构可与飞机机身、机翼等的几何形状近似。电流被施加到测试结构，并且磁场传感器感测由电流导致的磁场的变化。对应多个积分器将传感器输出转换为磁场强度值。从多个磁场强度值和对应传感器位置，推断目标表面上的电流密度。
一个方面涉及一种分析目标表面上的电流的方法。提供多个磁场传感器。各个传感器在操作上连接到积分器。多个磁场传感器靠近目标表面定位。电流被施加到目标表面。在一个或更多个传感器位置处感测磁场强度的变化。磁场强度的变化被积分以获得各个传感器位置处的磁场强度值。从多个磁场强度值和对应传感器位置推断目标表面上的电流密度。
另一方面涉及一种操作以分析目标表面上的电流的设备。该设备包括按照阵列定位在已知位置的多个磁场传感器。各个磁场传感器操作以感测磁场强度的变化。积分器在操作上连接到各个磁场传感器并且操作以通过对连接的传感器的输出进行积分来获得磁场强度值。数据处理系统操作以接收各个积分器的输出，并且还操作以从多个磁场强度值和对应传感器位置推断目标表面上的电流密度。
另一方面涉及一种非暂时性计算机可读介质。该介质存储程序指令，所述指令操作以使得数据处理系统处理磁场传感器阵列输出以分析目标表面上的电流。所述指令使得数据处理系统：当磁场传感器阵列靠近目标表面定位并且电流被施加到目标表面时，感测阵列上的一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化；对磁场强度的变化进行积分以获得各个传感器位置处的磁场强度值；从各个磁场强度值推断局部电流值；以及通过使用对应传感器位置将局部电流值映射到目标表面来推断目标表面上的电流密度。
附图说明
现在将参照示出了本发明的各方面的附图在下文中更充分地描述本发明。然而，本发明不应被解释为限于本文所阐述的各方面。相反，提供这些方面以使得本公开将彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。相似的标号始终指代相似的元件。
图1是测试结构的截面图。
图2是靠近测试结构的磁场传感器的截面图。
图3是三个正交方向上的线圈的立体图。
图4是用于磁场传感器的安装结构的立体图。
图5是靠近测试结构的磁场传感器阵列的立体图。
图6A是分析目标表面上的电流的方法的流程图。
图6B是详述图6A的方法的步骤的流程图。
图6C是获得目标表面上的电流密度的更高分辨率的视图的方法的流程图。
图6D是校准各个磁场传感器的方法的流程图。
图6E是使用代理表面校准磁场传感器阵列的方法的流程图。
图7是描绘测试表面上的电流密度的2D图。
图8是提供代理表面的校准测试结构的立体图。
图9是校准测试结构和传感器阵列的截面图。
图10是用于磁场传感器的电子系统的框图。
图11是有源积分器电路的示意图。
具体实施方式
为了简单和例示目的，通过主要参考其示例性方面来描述本发明。在以下描述中，阐述了众多具体细节以便提供本发明的彻底理解。然而，对于本领域普通技术人员而言将易于显而易见，本发明可被实践而不限于这些具体细节。在本说明书中，没有详细描述熟知方法和结构，以免不必要地模糊本发明。
分层复合材料(包括机身)中的电流密度不均匀，并且受几何形状、导电性和电流大小影响。小电流可被限制于纤维层，其中电流强烈偏好于沿着纤维的方向。大电流可通过穿过层渗出而导致破坏，因为高电压破坏了绝缘树脂层的介电屏障。因此，电流密度(即，横穿材料表面的电流的集中(concentration))是复杂的、不均匀的并且难以测量的。
除了测量复合材料中的电流密度的独特挑战之外，由于会损坏测量设备的电感效应和高能量级，导致通常不可能直接测量非常大的电流本身。因此，高电流常常通过测量其产生的磁场来推断。
本领域中已知的一种电流感测电路(例如，已知用于在等离子体实验中测量电流)是线圈(在本领域中称为B-Dot传感器)。该名称源于法拉第方程，该方程将线圈中感应的电压与通过线圈的变化的磁通量关联起来
Figure GDA0003536393390000041
通过变化的磁场或静态磁场的启动/关闭瞬变，可在固定线圈中感应电压。另选地，通过使线圈在静态磁场中移动，在线圈中感应电压。单独的B-dot传感器仅记录磁场的变化率；该值必须随时间积分以定量地测量场，从该场可推断产生磁场的电流。
更确切地，法拉第定律陈述了：
Figure GDA0003536393390000042
其中ΦB是通过线圈的磁通量，B⊥是线圈面积上的恒定磁场强度的垂直分量，a是线圈面积，N是线圈中的匝数，V是感应电压。磁场本身可通过由模拟积分器电路实时地对B-dot信号积分来确定，或者在信号的数字化之后数值上确定。精确测量需要高质量积分器电路。线圈可通过绕形状缠绕电磁线或其它绝缘线来构造。另选地，线圈可通过诸如增材制造(也称为3D打印)的打印被制造为印刷电路板上的迹线或集成电路(IC)中的导电路径。
尽管已知使用B-dot传感器和伴随的积分器电路来例如在研究等离子体现象(其中雷击是一个示例)时测量磁场，其通常测量来自单一点源的电流。磁传感器还未用于测量并研究横跨2D或3D表面的电流密度。
图1是电磁环境(EME)测试中常用的测试结构10(称为双紧固件搭接接头)的侧截面图。测试结构10包括利用紧固件16栓接在一起的两个复合材料片材12、14。片材12具有在图1中面向上的前侧18以及面向下的袋侧(bag side)20。前侧18对应于飞机机身或机翼上的面向外的成品复合材料表面。袋侧20(由于制造工艺中所使用的可充气气囊而如此命名)对应于面向内部的一侧。在另一片材14上，前侧22面向下，袋侧24面向上。两个片材12、14均涂敷非导电底漆以保护复合材料。在其接头处，该底漆呈现出不连续性，这可能在施加高电流以模拟雷击时影响横跨测试结构10的电流密度。
高电压被施加到测试结构10(例如，片材12)的一端，而另一端(例如，片材14)接地。这允许电流流过片材12，通过紧固件16，随后流过片材14。通常假设在流过两个紧固件16的电流中将存在50-50分裂。然而，一些损伤评估暗示这可能是不正确的。实际测量流过紧固件16的高电流是有问题的，并且无论如何将不会产生关于横跨片材12、14的电流密度的信息。
图2描绘了施加有高电压(HV)和接地的测试结构10，指示了电流I的一般方向。根据本文所描述并要求保护的各方面，多个磁场传感器26(例如，B-dot传感器)靠近目标表面(例如，片材12的前侧表面18和片材14的袋侧表面24)定位。各个传感器包括线圈25并且在操作上连接到积分器(未示出)，其输出由数据处理系统(未示出)收集。如所指示的，电流被施加到测试结构10的目标表面18、24。随着电流I斜升并且可能例如响应于温度变化、电压引起的损伤等而在测试结构10上变化，磁场传感器26感测各个相应传感器位置27处的磁场强度的变化。所检测的磁场强度的变化被积分以获得各个传感器位置27处的磁场强度值。然后从多个磁场强度值和对应传感器位置27推断测试结构10的目标表面上的电流密度。
图2描绘了仅在单一方向上对准的B-dot线圈26。即，在各个传感器位置27处仅描绘一个线圈26，并且所有线圈26具有相同的取向。各个线圈26操作以仅检测通量线与线圈面积垂直(即，通量线与顺着线圈26的中心线延伸的纵轴平行)的磁场的变化。对于磁场的更完整的空间视图，可构造多个复合传感器26，所述多个复合传感器中的每一个具有取向不同的多个线圈。例如，如图3中所描绘绕三个正交轴布置的三个线圈将测量所有三个空间方向(例如，x、y和z方向)上的磁通量。可获得组合通量作为三个线圈26输出的矢量和。需要注意的是，单个线圈测量与其横截面积垂直的两个方向上的通量(一个方向上的通量将感应正电压，相反方向上的通量将感应负电压)。
图4描绘了可缠绕六个B-dot线圈26的六极安装结构28。在一个方面，在各个取向上设置两个线圈26允许获得更鲁棒的信号作为差分对的共模。在这种情况下，三个轴(即，方向)中的每一个上的两个线圈26应该在相反方向上缠绕。如果六极结构28由非铁介电材料形成，则其可留在原地以为线圈26提供结构支撑，而不会影响磁通量感测操作。如果在各个结构28处(例如，在x、y和z方向上)安装至少三个线圈26，则可通过由各个线圈26(以及关联的积分器电路)检测的磁场分量的矢量和来求解合成磁场。
图5描绘了多个安装结构28附连到基板31的阵列30。各个安装结构28限定了传感器位置27。至少一个磁场传感器26(例如，B-dot线圈)被定位在各个传感器位置27处。多个磁场传感器26靠近目标表面18、24(例如，测试结构10的一侧)定位(需要注意的是，在图5中的测试结构10的取向中，目标表面18、24面向阵列30并且不可见)。在优选方面，磁场传感器26的阵列30使至少多个线圈26延伸过测试结构10的各个相关边缘11。这确保了测试结构10的边缘11的场行为被捕获。特别是，通过将B-dot线圈26放置越过测试结构10的边缘11，可通过下面所述的插值获得边缘11处的磁场行为。在一个方面，诸如夹子(未示出)的一个或更多个索引特征确保了将阵列30靠近目标表面18、24定位的可重复性。这通过确保一致的物理定位(例如，XY位置、旋转/倾斜等的变化)来帮助校准处理。尽管本文中进一步描述的校准过程可校正阵列30放置和取向中的变化，但是阵列30的一致定位仍是有利的。
图6A描绘了分析目标表面上的电流的方法100的步骤。提供优选按照阵列30布置的多个磁场传感器26(方框102)。各个传感器26在操作上连接到积分器32。多个磁场传感器26靠近目标表面18、24定位(方框104)，并且电流被施加到目标表面18、24(方框106)，如图2中所描绘的。在一个或更多个传感器位置27处感测磁场强度的变化(方框108)。磁场强度的变化被积分以获得各个传感器位置27处的磁场强度值(方框110)。从多个磁场强度值和对应传感器位置27推断目标表面18、24上的电流密度(方框112)。
图6B更详细地描绘了根据一个方面为实现图6A的方框112(从多个磁场强度值和对应传感器位置27推断目标表面18、24上的电流密度)而采取的步骤。这些步骤包括首先从各个磁场强度值推断局部电流值(方框114)，然后使用对应传感器位置27将局部电流值映射到目标表面18、24(方框116)。
图6C描绘了获得目标表面18、24上的电流密度的更高分辨率的视图的方法200的步骤。首先，对多个传感器位置27之间的磁场强度值进行插值(方框118)。计算与经插值的磁场强度值对应的对应虚拟传感器位置(方框120)。从各个插值的磁场强度值推断局部虚拟电流值(方框122)。然后使用对应虚拟传感器位置将局部虚拟电流值映射到目标表面18、24(方框124)。
图7描绘了覆盖在测试结构10上的电流密度图。该电流密度图来自对磁场传感器26输出进行积分并后处理(以及可选地，在多个传感器26之间进行插值)，以推断电流密度。如预期的，电流集中在紧固件16中，但是围绕其按照不可预测的方式分布。
出于多个原因，B-dot线圈26必须被校准以实现精确的场测量。由于线圈26往往较小，所以线圈面积的物理测量可能不精确。正常制造公差在诸如(部分)匝数、线圈表面积等的一些参数中将导致线圈到线圈差异。另外，发生非理想电子效应，特别是涉及线圈26或线缆的自感。可例如通过施加已知的正弦磁场(例如，从由信号发生器驱动的Helmholtz线圈)，并通过使用示波器，作为频率的函数确定线圈响应的幅度，来实现校准。另选地，可使用网络分析仪，其简化了数据收集并允许探针响应的相位也被确定。本领域技术人员将认识到，这种校准对于测量设备而言是常规的，在给定本公开的教导的情况下可以想到任何数量的适当校准过程。图6D描绘了校准各个磁场传感器以补偿由于制造公差引起的个体传感器差异的方法300的步骤(方框126)。
除了校准各个B-dot线圈26之外，用于保持多个线圈26的阵列30也必须被校准。参照图2，假设B-dot线圈26的阵列30是平坦的，显而易见的是由于两个片材12、14的偏移，定位在片材12上方的线圈26比定位在片材14上方的线圈26靠近表面24更靠近表面18。因此，定位在片材14上方的所有线圈26将记录较低强度的磁场。必须考虑各个线圈26距目标表面18、24的距离的这种差异以便获得磁场的精确测量，以从其推断目标表面18、24上的电流。在从各个线圈26到目标表面18、24的距离远小于目标表面18、24的范围的假设下，则目标表面18、24可被建模为无限电流片材，其磁场强度为：
Figure GDA0003536393390000071
其中μ0是空气的渗透率，r是线圈26距目标表面18、24的距离。
在一个方面，使用代理表面来校准磁场传感器26的阵列30。图8描绘了校准测试结构50，其呈现了具有目标表面(例如，飞机机翼)的几何形状(例如，形状或形式)的代理表面52。校准测试结构50(因此，代理表面52)由介电材料形成，并且包括一个或更多个导体54。导体54连接到高电压源(+HV)，并且电流被引导流过导体54，从而围绕导体54产生磁场。
图9描绘了校准测试结构50的横截面图，其中截面线在沿着代理表面52铺设或嵌入代理表面52内的导体54处截取。图9还描绘了磁场传感器26的阵列30。如上面关于图2所描述的，显而易见的是不同的磁场传感器26与代理表面上的对应点之间的距离变化。校准过程被描述为补偿这些不同的距离。
图6E描绘了校准按照固定的阵列30定位的多个磁场传感器26的方法400。如上所述提供代理表面52(方框128)。代理表面52由介电材料形成，包括一个或更多个导体54，并且与目标表面(例如，飞机机翼)的几何形状近似。磁场传感器26的阵列30靠近代理表面52定位(方框130)，并且通过导体54施加电流(方框132)。需要注意的是，如上所述，磁场传感器26的阵列30延伸越过代理表面52的前缘56和后缘58。多个磁场传感器26各自感测其相应传感器位置27处的磁场强度的变化(方框134)。磁场强度的变化被积分以获得各个传感器位置27处的磁场强度值(方框136)。磁场传感器26的阵列30的输出被校准以补偿由于代理表面52与传感器阵列30之间的不同几何形状而引起的个体传感器26差异(方框138)。
图10描绘了用于磁场传感器26的阵列30的电子器件的一个方面的简化图。各个磁场传感器26a、26b、…、26n连接到对应积分器32a、32b、…、32n。各个积分器32可包括诸如运算放大器A以及RC电路的模拟电路，如图11中所描绘的。另选地，各个磁场传感器26的输出可被数字化，并且通过数字信号处理器(DSP)执行积分。在任一种情况下，积分器32优选具有高质量，具有下垂校正和高灵敏度。在图8的代表性系统中，积分器32的输出由开关单元34连续地(或者按照任何预定次序)复用到模数转换器(ADC)36中。数字数据被存储在诸如存储器38(例如，RAM、ROM、Flash、SSD、HDD、磁带等)的非暂时性计算机可读介质中。诸如微处理器或DSP的控制器40然后访问所存储的数据以执行校准计算，计算局部电流值，将局部电流值映射到传感器位置27，并生成目标表面18、24上的电流密度的模型或视图。目标表面18、24上的电流密度可被输出到例如显示器、打印机等。控制器40也可控制系统组件的操作。本领域技术人员将容易地认识到，单独的控制器40可各自执行部分计算负荷，例如一个控制器40控制系统组件，另一控制器40计算电流密度。
此外，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1.一种分析目标表面上的电流的方法，该方法包括以下步骤：提供多个磁场传感器，各个传感器在操作上连接到积分器；将所述多个磁场传感器靠近目标表面定位；将电流施加到目标表面；感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化；对磁场强度的变化进行积分以获得各个传感器位置处的磁场强度值；以及从所述多个磁场强度值和对应传感器位置推断目标表面上的电流密度。
条款2.根据所述条款1的方法，其中，推断目标表面上的电流密度的步骤包括：从各个磁场强度值推断局部电流值，并使用对应传感器位置将局部电流值映射到目标表面。
条款3.根据所述条款2的方法，该方法还包括以下步骤：对多个传感器位置之间的磁场强度值进行插值；计算与插值的磁场强度值对应的虚拟传感器位置；从各个插值的磁场强度值推断局部虚拟电流值；以及使用对应虚拟传感器位置将局部虚拟电流值映射到目标表面。
条款4.根据所述条款1的方法，该方法还包括以下步骤：在感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化之前，校准各个磁场传感器以补偿由于制造公差引起的个体传感器差异。
条款5.根据所述条款4的方法，其中，磁场传感器各自包括线圈，并且其中，制造公差包括线圈中的线的类型、线圈中的线的匝数和线圈的面积中的至少一个。
条款6.根据所述条款1的方法，其中，所述多个磁场传感器按照固定的阵列定位，并且该方法还包括以下步骤：在感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化之前，通过以下步骤校准所述多个磁场传感器：提供由介电材料形成并包括一个或更多个导体的代理表面，该代理表面与目标表面的几何形状近似；将磁场传感器的阵列靠近代理表面定位；通过代理表面的导体施加电流；感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化；对磁场强度的变化进行积分以获得各个传感器位置处的磁场强度值；以及校准磁场传感器的阵列以补偿由于代理表面和传感器阵列的几何形状引起的个体传感器差异。
条款7.根据所述条款1的方法，其中，一个或更多个磁场传感器包括取向以感测不同方向上的磁场强度的变化的两个或更多个线圈，并且其中，获得各个传感器位置处的磁场强度值的步骤还包括：通过将所述两个或更多个线圈的磁场强度值和线圈取向组合来获得各个磁场传感器的合成磁场强度和方向。
条款8.根据所述条款7的方法，其中，线圈取向方向彼此正交。
条款9.根据所述条款8的方法，其中，一个或更多个磁场传感器包括取向以感测三个正交方向上的磁场强度的变化的三个线圈。
条款10.根据所述条款1的方法，其中，一个或更多个磁场传感器包括沿着相同方向取向但是相反地缠绕的两个线圈，并且其中，获得各个传感器位置处的磁场强度值的步骤包括：从所述两个线圈的共模获得磁场强度，其中，外来磁场被拒绝。
条款11.一种操作以分析目标表面上的电流的设备，该设备包括：多个磁场传感器，所述多个磁场传感器按照阵列定位在已知位置，各个磁场传感器操作以感测磁场强度的变化；积分器，其在操作上连接到各个磁场传感器并且操作以通过对所连接的传感器的输出进行积分来获得磁场强度值；以及数据处理系统，其操作以接收各个积分器的输出，并且还操作以从所述多个磁场强度值和对应传感器位置推断目标表面上的电流密度。
条款12.根据条款11所述的设备，其中，一个或更多个磁场传感器包括取向以感测不同方向上的磁场强度的变化的两个或更多个线圈，并且其中，数据处理系统还操作以通过将所述两个或更多个线圈的磁场强度值和线圈取向组合来获得各个磁场传感器的合成磁场强度和方向。
条款13.根据条款12所述的设备，其中，线圈取向方向彼此正交。
条款14.根据条款13所述的设备，其中，一个或更多个磁场传感器包括取向以感测三个正交方向上的磁场强度的变化的三个线圈。
条款15.根据条款12所述的设备，其中，磁场传感器的阵列包括：基板；以及多个安装构件，所述多个安装构件在已知的磁场传感器位置附连到基板，各个安装构件包括至少两个延伸构件，线圈缠绕在所述延伸构件上以形成磁场传感器，其中，所述多个安装构件附连到基板，使得对应延伸构件在相同方向上取向。
条款16.根据条款15所述的设备，其中，延伸构件包括分开180°取向的对应延伸构件对；成对的线圈在相反方向上缠绕在一对延伸构件中的各个延伸构件上，积分器还操作以从各对线圈的共模获得各个传感器位置处的磁场强度值，并且其中，外来磁场被拒绝。
条款17.根据条款11所述的设备，其中，阵列充分大于目标表面，使得当阵列靠近目标表面定位时，磁场传感器的子集超出目标表面的外边缘定位
条款18.一种存储程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述程序指令操作以使得数据处理系统通过执行以下步骤来处理磁场传感器阵列输出以分析目标表面上的电流：当磁场传感器阵列靠近目标表面定位并且电流被施加到目标表面时，感测阵列上的一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化；对磁场强度的变化进行积分以获得各个传感器位置处的磁场强度值；以及从各个磁场强度值推断局部电流值；以及通过使用对应传感器位置将局部电流值映射到目标表面来推断目标表面上的电流密度。
条款19.根据条款18所述的计算机可读介质，其中，所述程序指令还操作以使得数据处理系统执行以下操作：对多个传感器位置之间的磁场强度值进行插值；计算与插值的磁场强度值对应的虚拟传感器位置；从各个插值的磁场强度值推断局部虚拟电流值；以及通过使用对应虚拟传感器位置将局部虚拟电流值另外映射到目标表面来生成目标表面上的高粒度电流密度。
条款20.根据条款18所述的计算机可读介质，其中，所述程序指令还操作以当传感器阵列靠近代理表面定位时使得数据处理系统通过以下步骤校准磁场传感器阵列，所述代理表面由介电材料形成，包括一个或更多个导体，并且与目标表面的几何形状近似，并且电流流过所述导体：感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化；对磁场强度的变化进行积分以获得各个传感器位置处的磁场强度值；以及校准磁场传感器的阵列以补偿由于代理表面和传感器阵列的几何形状引起的个体传感器差异。
本文所描述的系统和方法的技术效果包括下列项中的至少一个：i)提供多个磁场传感器，各个传感器在操作上连接到积分器；ii)将所述多个磁场传感器靠近目标表面定位；iii)向目标表面施加电流；iv)感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化；v)对磁场强度的变化进行积分以获得各个传感器位置处的磁场强度值；以及vi)从所述多个磁场强度值和对应传感器位置来推断目标表面上的电流密度。
与现有技术相比，本发明的各方面提供了众多优点。目前没有办法精确地测量大表面上的真实电流。随着飞机机翼和机身从金属演变为复合构造，对这种能力的需求特别迫切，以例如对雷击的影响进行建模和研究。
当然，在不脱离本发明的基本特性的情况下，本发明可按照本文具体阐述的那些方式以外的其它方式来实现。本发明各方面在所有方面均应被认为是例示性的而非限制性的，落入所附权利要求书的含义和等同范围内的所有变化均旨在被涵盖于其中。

Claims (13)

1.一种分析目标表面(18,24)上的电流的方法(100)，该方法包括以下步骤：
提供(102)多个磁场传感器(26)，其中，所述多个磁场传感器按照阵列(30)定位，并且各个磁场传感器在操作上连接到积分器(32)；
将所述多个磁场传感器靠近所述目标表面定位(104)；
将电流施加(106)到所述目标表面，其中，所述阵列充分大于所述目标表面，使得当所述阵列靠近所述目标表面定位时，所述多个磁场传感器的子集超出所述目标表面的外边缘(11)定位；
感测(108)一个或更多个传感器位置(27)处的磁场强度的变化；
对磁场强度的所述变化进行积分(110)以获得各个传感器位置处的磁场强度值；
从所述多个磁场强度值和对应传感器位置推断(112)所述目标表面上的电流密度；
对多个传感器位置之间的磁场强度值进行插值(118)；
计算(120)与插值的磁场强度值对应的虚拟传感器位置；
从各个插值的磁场强度值推断(122)局部虚拟电流值；以及
使用对应虚拟传感器位置将所述局部虚拟电流值映射(124)到所述目标表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，推断所述目标表面上的电流密度的步骤包括：从各个磁场强度值推断(114)局部电流值，并使用所述对应传感器位置将所述局部电流值映射(116)到所述目标表面。
3.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：在感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化之前，校准(126)各个磁场传感器以补偿由于制造公差引起的个体传感器差异，
其中，所述多个磁场传感器各自包括线圈(25)，并且
其中，所述制造公差包括所述线圈中的线的类型、所述线圈中的线的匝数和所述线圈的面积中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：在感测一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化之前，通过以下步骤校准所述多个磁场传感器：
提供(128)由介电材料形成并包括一个或更多个导体(54)的代理表面(52)，该代理表面与所述目标表面的几何形状近似；
将所述多个磁场传感器的所述阵列靠近所述代理表面定位(130)；
通过所述代理表面的所述导体施加(132)电流；
感测(134)一个或更多个传感器位置处的磁场强度的变化；
对磁场强度的所述变化进行积分(136)以获得各个传感器位置处的磁场强度值；以及
校准(138)所述多个磁场传感器的所述阵列以补偿由于所述代理表面和传感器阵列的几何形状引起的个体传感器差异。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个磁场传感器中的一个或更多个磁场传感器均包括取向以感测不同方向上的磁场强度的变化的两个或更多个线圈，并且其中，获得各个传感器位置处的磁场强度值的步骤还包括：通过将所述两个或更多个线圈的磁场强度值和线圈取向组合来获得各个磁场传感器的合成磁场强度和方向。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中，线圈取向方向彼此正交，并且
其中，所述一个或更多个磁场传感器包括取向以感测三个正交方向上的磁场强度的变化的三个线圈(25)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个磁场传感器中的一个或更多个磁场传感器均包括沿着相同方向取向但是相反地缠绕的两个线圈(25)，并且其中，获得各个传感器位置处的磁场强度值的步骤包括：从所述两个线圈的共模获得所述磁场强度，其中，外来磁场被拒绝。
8.一种操作以分析目标表面(18,24)上的电流的设备，该设备包括：
多个磁场传感器(26)，所述多个磁场传感器按照阵列(30)定位在已知位置(27)，各个磁场传感器操作以感测磁场强度的变化；
积分器(32)，该积分器在操作上连接到各个磁场传感器并且操作以通过对所连接的传感器的输出进行积分来获得多个磁场强度值；以及
数据处理系统(40)，该数据处理系统操作以接收各个积分器的输出，并且还操作以从所述多个磁场强度值和对应传感器位置推断所述目标表面上的电流密度，
其中，所述阵列充分大于所述目标表面，使得当所述阵列靠近所述目标表面定位时，所述多个磁场传感器的子集超出所述目标表面的外边缘(11)定位。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述多个磁场传感器中的一个或更多个磁场传感器均包括取向以感测不同方向上的磁场强度的变化的两个或更多个线圈，并且其中，所述数据处理系统还操作以通过将所述两个或更多个线圈的磁场强度值和线圈取向组合来获得各个磁场传感器的合成磁场强度和方向。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，线圈取向方向彼此正交。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述一个或更多个磁场传感器包括取向以感测三个正交方向上的磁场强度的变化的三个线圈(25)。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述多个磁场传感器的所述阵列包括：
基板(31)；以及
多个安装构件(28)，所述多个安装构件在所述多个磁场传感器的所述已知位置处附连到所述基板，各个安装构件包括至少两个延伸构件，线圈缠绕在所述至少两个延伸构件上以形成磁场传感器，
其中，所述多个安装构件附连到所述基板，使得对应延伸构件在相同方向上取向。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述延伸构件包括分开180°取向的对应延伸构件对；成对的线圈在相反方向上缠绕在一对延伸构件中的各个延伸构件上，所述积分器还操作以从各对线圈的共模获得各个传感器位置处的磁场强度值，并且其中，外来磁场被拒绝。
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